Tóm tắt luận án Tiến sĩ Kĩ thuật: Nghiên cứu phương pháp sấy đối lưu bởi tác nhân sấy nhiệt độ thấp có sự kết hợp của vi sóng trên nguyên liệu khổ qua (Momordica charantia L.)

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:27

Thêm vào BST

Báo xấu

45
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của Luận án này nhằm phân tích và đánh giá ảnh hưởng của phương pháp sấy này đến hiệu quả thoát ẩm khỏi vật liệu và những biến đổi chất lượng của mẫu sấy, nhằm làm cơ sở lý thuyết và thực tiễn để phát triển phương pháp sấy mới này. Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Tóm tắt luận án Tiến sĩ Kĩ thuật: Nghiên cứu phương pháp sấy đối lưu bởi tác nhân sấy nhiệt độ thấp có sự kết hợp của vi sóng trên nguyên liệu khổ qua (Momordica charantia L.)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA NGUYỄN THỊ VÂN LINH NGHIÊN CỨU PHƯƠNG PHÁP SẤY ĐỐI LƯU BỞI TÁC NHÂN SẤY NHIỆT ĐỘ THẤP CÓ SỰ KẾT HỢP CỦA VI SÓNG TRÊN NGUYÊN LIỆU KHỔ QUA (MOMORDICA CHARANTIA L.) Chuyên ngành: Công nghệ thực phẩm Mã số chuyên ngành: 62540101 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ TP. HỒ CHÍ MINH - NĂM 2021
Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM Người hướng dẫn 1: TS. Trần Bích Lam Người hướng dẫn 2: TS. Huỳnh Tiến Phong Phản biện độc lập 1: Phản biện độc lập 2: Phản biện 1: Phản biện 2: Phản biện 3: Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án họp tại ............................................................................................................................... ............................................................................................................................... vào lúc giờ ngày tháng năm Có thể tìm hiểu luận án tại thư viện: - Thư viện Trường Đại học Bách Khoa – ĐHQG-HCM - Thư viện Đại học Quốc gia Tp.HCM - Thư viện Khoa học Tổng hợp Tp.HCM
DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ Tạp chí quốc tế 1. Thi-Van-Linh Nguyen, Phuoc-Bao-Duy Nguyen, Xuan-Cuong Luu, Bao- Long Huynh, Sitaraman Krishnan, Phong T. Huynh, “Kinetics of Nutrient Change and Color Retention during Low-Temperature Microwave-Assisted Drying of Bitter Melon (Momordica Charantia L.)”, Journal of Food Processing and Preservation, Volume 43, Issue 12, 2019, e14279 (ISI, ISSN:1745-4549, IF 1.288, Q2) 2. Thi-Van-Linh Nguyen, Quoc-Duy Nguyen, Phuoc-Bao-Duy Nguyen, Bich- Lam Tran, Tien-Phong Huynh, “Effects of Drying Conditions in Low- temperature Microwave-assisted Drying on Bioactive Compounds and Antioxidant Activity of Dehydrated Bitter Melon Slices (Momordica charantia L.)”, Food Science & Nutrition, Volume 8, Issue 7, 2020, Pages 3826-3834 (ISI, ISSN:2048-7177, IF 1.747, Q2) Tạp chí trong nước 1. Nguyễn Thị Vân Linh, Nguyễn Huỳnh Đăng Khoa, Nguyễn Phước Bảo Duy, Huỳnh Tiến Phong, “Động học và năng lượng hoạt hóa khi sấy khổ qua ở nhiệt độ tác nhân sấy thấp có sự hỗ trợ của vi ba”, Tạp chí Nông nghiệp và Phát triển Nông thôn. Số 20, Trang 60-67, 2018 (ISSN 1859-4581). Kỷ yếu hội nghị quốc tế 1. Linh T.V. Nguyen, Duy P.B. Nguyen, Cuong X. Luu, Phong T. Huynh, “Drying Kinetics of Low-Temperature Microwave-Assisted Drying of Sliced Bitter Melon (Momordica charantia L.)”, in Food Science and Technology: Proceedings of the 15th ASEAN Conference on Food Science and Technology, AFC 2017, Ho Chi Minh City, Vietnam, November 14-17, 2017. Science and Technics Publishing House, 2017, pp. 401-409. Tham gia hội nghị quốc tế (trình bày báo cáo) 1. Thi-Van-Linh Nguyen, Quoc-Duy Nguyen, Phuoc-Bao-Duy Nguyen, Bich- Lam Tran, Tien-Phong Huynh, “Effects of Drying Conditions in Low- temperature Microwave-assisted Drying on Bioactive Compounds and Antioxidant Activity of Dehydrated Bitter Melon Slices (Momordica charantia L.)”, EuroFoodChem XX Conference, Porto, Portugal, June 17-19, 2019 (oral communication)
A. PHẦN MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết Kỹ thuật sấy rau trái khá đa dạng với nhiều cách thức khác nhau tùy thuộc vào đối tượng sấy cũng như yêu cầu sản phẩm sau khi sấy. Với một nguyên liệu rau trái giàu giá trị sinh học thì cần phải phát triển một phương pháp sấy phù hợp để vừa loại ẩm hiệu quả, vừa giữ lại các hoạt chất trong nguyên liệu. Trong các kỹ thuật sấy truyền thống thì phổ biến nhất là kỹ thuật sấy đối lưu bằng không khí nóng với không khí từ môi trường bên ngoài được gia nhiệt rồi tiếp xúc với vật liệu sấy để tách ẩm. Trong phương pháp này, chiều khuếch tán nhiệt ngược chiều với chiều khuếch tán ẩm dẫn đến thời gian sấy kéo dài. Để tăng động lực sấy, thông thường người ta sử dụng nhiệt độ cao 50–70C nhưng điều này sẽ gây tổn thất lớn về giá trị dinh dưỡng cũng như cảm quan của sản phẩm. Để giảm thiểu tác động này, các kỹ thuật sấy ở nhiệt độ thấp như sấy thăng hoa, sấy chân không được áp dụng giúp cải thiện chất lượng sản phẩm sấy. Tuy nhiên nhược điểm chính của những kỹ thuật này là thời gian sấy rất dài mất hàng chục giờ để thực hiện quá trình sấy, bên cạnh đó nhiều sản phẩm sau khi kết thúc quá trình sấy độ ẩm còn lại trong mẫu cao hơn 20%, và chi phí đầu tư thiết bị cũng như vận hành rất cao. Trong những năm gần đây, kỹ thuật sấy có sự kết hợp của vi sóng đã làm giảm rõ rệt thời gian sấy và cải thiện chất lượng sản phẩm sấy so với những kỹ thuật sấy truyền thống. Trong luận án này, chúng tôi trình bày nghiên cứu của mình về một kỹ thuật mới (viết tắt là LTMWAD), sử dụng năng lượng bức xạ của vi sóng, thúc đẩy quá trình khuếch tán trong, kết hợp đồng thời với không khí khô ở nhiệt độ thấp ( 30C) để quá trình thoát ẩm trong vật liệu trở nên hiệu quả hơn. Đây là một phương pháp sấy mới trên thế giới và ở Việt Nam, được kỳ vọng là một kỹ thuật sấy hiệu quả để tách ẩm cho các nguyên liệu giàu hoạt tính sinh học. Vật liệu thí nghiệm được chọn lựa là khổ qua vì đây là một loại trái giàu các hơp chất polyphenol (đặc biệt là flavonoid), giàu vitamin C với hoạt tính chống oxy hóa cao…và được sử dụng nhiều mục đích. 1
2. Mục tiêu của luận án Nghiên cứu LTMWAD kết hợp năng lượng vi sóng với không khí khô nhiệt độ thấp, trên vật liệu khổ qua, để phân tích và đánh giá ảnh hưởng của phương pháp sấy này đến hiệu quả thoát ẩm khỏi vật liệu và những biến đổi chất lượng của mẫu sấy, nhằm làm cơ sở lý thuyết và thực tiễn để phát triển phương pháp sấy mới này. 3. Những đóng góp mới của luận án Đóng góp mới về mặt khoa học Trong luận án này, lần đầu tiên sự kết hợp giữa bức xạ vi sóng với tác nhân sấy nhiệt độ thấp được thử nghiệm, phân tích và đánh giá trong quá trình sấy một loại nông sản. Kết quả của luận án cung cấp thông tin về tác động, ảnh hưởng của một phương pháp sấy mới đến quá trình thoát ẩm, sự biến đổi của thành phần hóa học có hoạt tính sinh học (phenolic tổng, vitamin C), sự biến đổi vật lý (màu sắc), sự biến đổi về hóa lý (khả năng hydrate hóa) trên nguyên liệu thí nghiệm là khổ qua. Đóng góp mới về mặt thực tiễn Những kết quả về phân tích cơ chế tác động, đánh giá mức độ ảnh hưởng của quá trình sấy kết hợp vi sóng với tác nhân sấy nhiệt độ thấp đến khả năng thoát ẩm cũng như những biến đổi chất lượng trên một loại nông sản là cơ sở để phát triển, cải tiến phương pháp sấy mới cũng như cung cấp cơ sở dữ liệu để thiết kế, tính toán quá trình sấy ở quy mô sản xuất nhằm nâng cao chất lượng sản phẩm sấy, kéo dài thời gian sử dụng và tiết kiệm chi phí năng lượng. 4. Bố cục luận án Luận án có 122 trang, 15 bảng, 25 hình và 243 tài liệu tham khảo, bao gồm các phần: Mở đầu (3 trang); Chương 1: Tổng quan (24 trang); Chương 2: Nguyên liệu và phương pháp nghiên cứu (24 trang); Chương 3: Kết quả và bàn luận (48 trang); Kết luận và kiến nghị (3 trang); Tài liệu tham khảo (19 trang); Các công trình đã công bố (1 trang). 2
B. NỘI DUNG LUẬN ÁN CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Công nghệ sấy rau trái ở nhiệt độ thấp Theo Santacatalin và cộng sự (2014) thì quá trình sấy ở nhiệt độ thấp là một quá trình sấy được diễn ra với tác nhân sấy có nhiệt độ thấp hơn nhiệt độ phòng. Như vậy, khi thực hiện quá trình sấy nhiệt độ thấp thì nhiệt độ đó có thể trên điểm đóng băng (gọi là sấy lạnh) hoặc dưới điểm đóng băng (gọi là sấy thăng hoa) của sản phẩm. Các kết quả nghiên cứu cũng đã chứng minh về ưu điểm của phương pháp này ở việc giữ lại chất lượng sản phẩm, đặc biệt ở kỹ thuật sấy thăng hoa. So với kỹ thuật sấy thực phẩm truyền thống bằng nhiệt độ cao, kỹ thuật thăng hoa đã giữ lại màu sắc sản phẩm, cấu trúc ít bị co rút, hạn chế phân hủy vitamin, và các hợp chất có hoạt tính sinh học khác,… Phù hợp sấy các loại vật liệu nhạy cảm nhiệt, giàu giá trị sinh học như thảo dược, rau củ. Tuy nhiên, khi sấy ở nhiệt độ thấp thì động lực của quá trình sấy quá thấp khiến cho thời gian sấy kéo dài (vài chục giờ) làm tốn chi phí vận hành. 1.2 Công nghệ sấy rau trái dưới tác dụng của vi sóng (microwave) Microwave (viết tắt là MW) là sóng điện từ có tần số từ 300 MHz đến 300 GHz. Khi MW tương tác với các nguyên liệu như thực phẩmcó tác dụng gia nhiệt làm phát sinh nhiệt bên trong thực phẩm do tác động quay các phân tử phân cực và dẫn ion. MW hiện được ứng dụng trong các lĩnh vực công nghệ chế biến thực phẩm như trong quá trình sấy, thanh trùng, tiệt trùng, rã đông, nướng,…Trong lĩnh vực sấy rau trái, việc sử dụng MW để sấy là một phương thức tương đối mới được dùng để tách nước khỏi nguyên liệu với tốc độ truyền nhiệt nhanh hơn và tốc độ tăng nhiệt nhanh hơn so với gia nhiệt thông thường. Tất cả các quá trình sấy bằng MW rút ngắn thời gian sấy một cách rõ rệt. Hầu hết các sản phẩm sấy MW có chất lượng được cải thiện hoặc không khác với những sản phẩm sấy bằng những kỹ thuật sấy truyền thống. Hiện nay, nhiều nghiên cứu đề xuất và thực hiện kết hợp sấy MW với các kỹ thuật sấy truyền thống để cải thiện tốc độ sấy cũng như chất lượng sản phẩm sấy nhưng vật liệu nghiên cứu vẫn còn hạn chế. 3
1.3 Tổng quan về nguyên liệu khổ qua Khổ qua (Momordica charantia L.,) là cây leo thuộc họ bầu bí (Cucurbitaceae). Khổ qua là thực vật giàu dinh dưỡng được sử dụng trong các bữa ăn và có mặt trong các sản phẩm thực phẩm chức năng, trong các bài thuốc, phổ biến ở châu Á và châu Phi nhờ vào các hợp chất có hoạt tính sinh học có mặt trong khổ qua. Các nghiên cứu về thành phần hóa học chính của khổ qua cho thấy trong khổ qua qua giàu vitamin, khoáng và các hợp chất phenolic (đặc biệt là thành phần flavonoid và gallic acid). Ngoài ra, khổ qua còn chứa những chất có hoạt tính sinh học khác như saponin, các hợp chất peptide và alkaloid. Nhiều nghiên cứu đã chứng minh mối liên hệ giữa khổ qua và các lợi ích về sức khoẻ.Trong lĩnh vực sấy thực phẩm, chỉ một số ít nghiên cứu về ảnh hưởng của điều kiện sấy lên các chỉ tiêu chất lượng của khổ quả khi sấy bằng năng lượng mặt trời, sấy ở nhiệt độ thấp, sấy bằng không khí nóng, sấy thăng hoa, sấy hồng ngoại, sấy bằng không khí nóng kết hợp MW (320, 400, và 480 W). CHƯƠNG 2 NGUYÊN LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Nguyên liệu khổ qua Đối tượng nghiên cứu là khổ qua chủng Momordica charantia L.Var. charantiaL(hình 2.1). Khổ qua được chọn theo tiêu chuẩn TCVN 12097:2017. Hình 2.1 a) Trái khổ qua và b) Lát khổ qua trước khi sấy a) b) 2.2 Thiết bị nghiên cứu Thiết bị sấy đối lưu nhiệt độ thấp có sự kết hợp của MW được trình bày trong hình 2.2. 4
Hình 2.2 Thiết bị sấy ở nhiệt độ tác nhân sấy thấp có sự kết hợp của MW: 11—Cửa thoát khí thải; 2— Bộ điều chỉnh công suất vi sóng; 3—Bộ phát vi sóng; 4—Buồng sấy; 5—Cặp điện trở gia nhiệt tác nhân sấy; 6—Giàn lạnh ngưng tụ ẩm không khí ;7—Giàn nóng; 8—Tủ điều khiển 2.3 Nội dung nghiên cứu Nội dung 1: Đánh giá khả năng kết hợp MW với không khí khô nhiệt độ thấp trong việc giải phóng nhiệt của vật liệu sấy • Mô phỏng trường điện từ trong lò MW và mức độ gia nhiệt các lát khổ qua • Đánh giá hiệu quả giải phóng nhiệt khỏi khổ qua • Kết luận ban đầu về tính khả thi ứng dụng LTMWAD để sấy nông sản Nội dung 2: Khảo sát ảnh hưởng của điều kiện sấy • Nhân tố khảo sát: MWPD, Tair, vận tốc tác nhân sấy (ảnh hưởng một nhân tố). • Hàm mục tiêu: (i) thời gian sấy; (ii) tốc độ sấy; (iii) hàm lượng TPC; (iv) hàm lượng vitamin C; (v) khả năng khử gốc tự do DPPH; (vi) khả năng khử sắt trong sản phẩm. Nội dung 3: Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình sấy LTMWAD đến sự biến đổi độ ẩm trong suốt quá trình sấy • Nhân tố khảo sát: MWPD và Tair (bố thí thí nghiệm toàn phần 32) • Hàm mục tiêu: sự thay đổi khối lượng ở mỗi thời điểm cách nhau 10 phút sấy trong suốt quá trình sấy LTMWAD. Nội dung 4: Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình sấy LTMWAD đến sự biến đổi hàm lượng TPC, vitamin C trong suốt quá trình sấy • Nhân tố khảo sát: MWPD và Tair (bố thí thí nghiệm toàn phần 32) • Hàm mục tiêu: sự thay đổi hàm lượng TPC (mgGAE/gck) và vitamin C (mg/gck) được xác định ở mỗi thời điểm cách nhau 30 phút sấy trong suốt quá trình sấy LTMWAD. 5
Nội dung 5: Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình sấy LTMWAD đến sự biến đổi màu sắc trong suốt quá trình sấy • Nhân tố khảo sát: MWPD và Tair (bố thí thí nghiệm toàn phần 32) • Hàm mục tiêu: sự thay đổi thông số màu sắc (L *, a*, và b*) được xác định ở mỗi thời điểm cách nhau 30 phút sấy trong suốt quá trình sấy LTMWAD. Nội dung 6: Nghiên cứu ảnh hưởng của quá trình sấy LTMWAD đến khả năng tái hút nước của mẫu sấy • Nhân tố khảo sát: MWPD, Tair, Thút nước (bố trí thí ngiệm toàn phần 33) • Hàm mục tiêu: sự thay đổi khối lượng của các lát khổ qua sau khi sấy được theo dõi cách mỗi 30 phút hút nước trong suốt 5 giờ. 2.4 Phương pháp phân tích Xác định độ ẩm: bằng phương pháp AOAC 945.21. Xác định sự co rút của lát khổ qua: theo mô tả của Aral và Beşe (2016). Xác định hàm lượng phenolic tổng: bằng phương pháp phân tích Folin-Ciocalteu, sử dụng chất chuẩn là gallic acid. Xác định hàm vitamin C: bằng phương pháp AOAC 967.21. Xác định khả năng khử DPPH: theo mô tả của Braca và cộng sự (2000). Xác định khả năng khử sắt (FRAP): theo mô tả của Braca và cộng sự (2000). Xác định thông số màu sắc: bằng thiết bị đo màu cầm tay. Xác định tỷ lệ hút nước: theo mô tả của Doymaz và İsmail (2011) 2.5 Xử lý số liệu Tất cả thí nghiệm được làm lặp 3 lần. Các giá trị được biểu diễn bằng giá trị trung bình và sai số chuẩn của các giá trị trung bình, tính toán bằng phần mềm Microsoft Excel (2016). Phân tích phương sai một nhân tố (one-way ANOVA) được áp dụng để xác định sự khác nhau giữa các chế độ sấy và Tukey’s Multiple Range test được áp dụng để xác định sự khác biệt có ý nghĩa giữa các giá trị trung bình ở mức ý nghĩa 5%. Sự khác biệt có nghĩa của hai nhân tố (MWPD và Tair) 6
được đánh giá bằng phương pháp phân tích phương sai hai nhân tố sử dụng hàm ANOVA trong Analysis ToolPak của phần mềm Microsoft Excel (2016). Phần mềm Design-Expert phiên bản 10.1 được sử dụng để đánh giá sự tương tác, ảnh hưởng của các nhân tố và thiết lập các mô hình hồi quy. Phần mềm MATLAB R2014 được sử dụng để kiểm tra dữ liệu thực nghiệm với các mô hình dựa trên phương pháp Levenberg-Marquardt. CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 3.1 Thiết lập điều kiện sấy khổ qua ở nhiệt độ tác nhân sấy thấp kết hợp MW Từ kết quả mô phỏng ở hình 3.1 cho thấy một số vùng có màu sáng (đặc biệt là các cạnh) đạt đến 100C trong khi đó các vùng lân cận có nhiệt độ thấp hơn, thậm chí có nơi còn không được đun nóng. Kết quả mô phỏng cho thấy nếu chỉ sử dụng MW để gia nhiệt nguyên liệu ứng dụng tách ẩm trong quá trình sấy sẽ không đạt được hiệu quả mong muốn vì mức độ phân bố điện trường không đồng nhất dẫn đến việc gia nhiệt cục bộ và sẽ có những vị trí bị quá nhiệt trong khi đó một số vị trí khác vẫn chưa được gia nhiệt. Để cải thiện độ đồng nhất gia nhiệt của MW trên các lát khổ qua MW sẽ được kết hợp với phương pháp sấy đối lưu sử dụng tác nhân sấy là không khí nhiệt độ thấp. Trong buồng sấy được bố trí đĩa xoay nhằm đảm bảo những vùng chưa gia nhiệt sẽ có cơ hội di chuyển đến vùng tiếp xúc trường điện từ và hấp thu năng lượng MW để chuyển thành nhiệt. Vì thiết bị sấy được cải tạo từ lò vi sóng thương mại nên tốc độ dĩa quay được mặc định với tốc độ 4 vòng/phút. Quá trình tác dụng nhiệt của MW sẽ được thực hiện từng chu kỳ 10 phút và nghỉ 2 phút. Thời gian nghỉ tác dụng nhiệt MW nhằm hạn chế hiện tượng quá nhiệt cũng như gia tăng mức độ đồng nhất nhiệt độ trên vật liệu sấy. Thiết bị trong nghiên cứu có bộ phận phát MW công suất thay đổi từ 0 đến 750 W tuy nhiên chỉ khảo sát từ 150 đến 450 W để đảm bảo gia nhiệt ở công suất MW thấp. Các lát khổ qua được cắt thành từng lát dày 5 mm để đảm bảo khả năng đâm xuyên của MW và bố trí lớp mỏng đủ diện tích khay sấy. 7
a) b) Hình 3.1. Sự phân bố trường điện từ dưới tác động của MW (a); Phân bố nhiệt trên các lát khổ qua dưới tác dụng của MW sau 10 giây bằng phần mềm Comsol Multiphysics phiên bản 5.2 Kết quả theo dõi nhiệt độ của các lát khổ qua trong suốt quá trình sấy được thể hiện trong hình 3.2. Từ kết quả thể hiện nhiệt độ trung bình ở bề mặt của các lát khổ qua ở mỗi thời điểm sấy cách nhau 10 phút cho thấy tùy vào công suất MW và nhiệt độ tác nhân sấy mà nhiệt độ của lát khổ qua khác nhau. Ở giai đoạn đầu gia nhiệt (20 phút đầu quá trình sấy), khi sấy ở mức công suất cao (450 W) mức độ gia tăng nhiệt độ cao hơn những giai đoạn khác và cao hơn nhiệt độ tác nhân sấy. Trong giai đoạn này, độ ẩm cao bên trong nguyên liệu sẽ hấp thu năng lượng từ bức xạ MW lớn hơn và chuyển hóa nhanh thành năng lượng nhiệt, hệ quả làm nhiệt độ tăng nhanh và cao ở nguyên liệu, nhưng không vượt quá 32C. Kết quả từ Error! Reference source not found. thể hiện nhiệt độ ở khổ qua dao động gần nhiệt độ của tác nhân sấy (20–30C). Như vậy nhờ vào dòng tác nhân sấy lưu lượng lớn đưa vào hệ thống và bên cạnh đó giá trị Re dòng tác nhân sấy khi vào buồng sấy lớn làm cho quá trình truyền nhiệt và truyền khối giữa vật liệu sấy và không khí sấy đã giải phóng nhiệt khỏi vật liệu sấy hiệu quả. Hình 3.2. Nhiệt độ tâm (a) và bề mặt (b) của lát khổ qua trong suốt quá trình sấy 8
3.2 Khảo sát ảnh hưởng của điều kiện sấy đến khả năng thoát ẩm và chất lượng lát khổ qua sấy khô 3.2.1 Ảnh hưởng của MWPD Khi MWPD càng cao thì năng lượng được hấp thu bởi vật liệu sấy càng lớn, tốc độ thoát ẩm càng nhanh và tốc độ co rút của mẫu càng nhanh (hình 3.3a, b). Tốc độ bay hơi nước tăng khi tăng MWPD (hình 3.3c). Khi áp dụng mức MWPD cao (3,0; 4,5 W/g), tốc độ bay hơi ẩm trong suốt LTMWAD chia thành 3 vùng riêng biệt có độ dốc khác nhau. Khi áp dụng mức MWPD thấp (1,5 W/g), độ dốc của tốc độ bay hơi ẩm trong vùng 1 và 2 không khác biệt. Cả quá trình loại ẩm cùng sự co rút của mẫu trong suốt quá trình sấy đã làm giảm độ dốc tốc độ bay hơi ở MWPD mức cao. Mặt khác, khi sấy mẫu ở mức MWPD thấp thì tốc độ bay hơi thấp và mẫu cũng bị co rút nhưng ít hơn mức cao. Hình 3.3 Ảnh hưởng của MWPD lên quá trình sấy khổ qua. (a) Thời gian sấy ở những MWPD khác nhau. (b) Sự co rút của mẫu khổ qua trong suốt quá trình sấy. (c) Tốc độ bay hơi ẩm từ độ ẩm ban đầu. (d) Tốc độ bay hơi ẩm tương ứng với độ ẩm từ 6 g/gck Kết quả (bảng 3.1) cho thấy, khả năng khử gốc tự do DPPH và khả năng khử sắt của mẫu sấy tỉ lệ với hàm lượng vitamin C và TPC và đạt cao nhất ở mẫu sấy mức MWPD 3,0 W/g. 9
Bảng 3.1. Hàm lượng vitamin C, TPC và khả năng chống oxy hóa (phân tích DPPH, FRAP) trong khổ qua sấy ở những MWPD khác nhau Khả năng khử MWPD Vitamin C TPC Khả năng khử sắt gốc DPPH (W/g) (mg/100gck) (mgGAE/100gck) (mgTE/100gck) (mgTE/100gck) Mẫu tươi 520 (40) 800 (40) 1427 (43) 5313 (175) a a a 1,5 143,24 (6,36) 359,46 (13,98) 144,32 (7,64) 1384,67 (19,22) a b b b 3,0 161,15 (4,16) 459,04 (15,22) 215,32 (5,05) 1759,93 (42,15) b c c c 4,5 125,63 (7,80) 427,51 (11,77) 196,51 (8,33) 1308,57 (32,10) a Ghi chú: Dữ liệu được trình bày dưới dạng giá trị trung bình (sai số chuẩn) và các giá trị ở cùng 1 cột có cùng ký tự là sự khác biệt biệt giữa các giá trị trung bình không ý nghĩa (P > 0,05). 3.2.2 Ảnh hưởng của Tair Thời gian sấy được rút ngắn khi tăng Tair từ 20 lên 30 C (hình 3.4a.). Độ dốc và giao điểm trục tung của các đường thẳng nhỏ nhất khi sấy ở 20 C và lớn nhất khi sấy ở 30 C ( hình 3.4b.). Hình 3.4 (a) Thời gian sấy. (b) Tốc độ bay hơi ẩm ở những Tair khác nhau Bảng 3.2. Hàm lượng vitamin C, TPC và khả năng chống oxy hóa (phân tích DPPH, FRAP) trong khổ qua sấy ở những Tair khác nhau Khả năng khử Vitamin C TPC Khả năng khử sắt Tair(C) gốc DPPH (mg/100gck) (mgGAE/100gck) (mgTE/100gck) (mgTE/100gck) Mẫu tươi 520 (40) 800 (40) 1427 (43) 5313 (175) 20 128,10 (14,85) a 423,37 (27,64) a 184,64 (5,40) a 1679,19 (36,48) a 25 148,65 (6,40) b 492,44 (20,09) b 235,79 (13,38) b 1802,26 (41,78) b c a c 30 169,96 (7,23) 440,78 (27,85) 209,14 (9,63) 1791,90 (34,80) b Ghi chú: Dữ liệu được trình bày dưới dạng giá trị trung bình (sai số chuẩn) và các giá trị ở cùng 1 cột có cùng ký tự là sự khác biệt biệt giữa các giá trị trung bình không ý nghĩa (P > 0,05). Hàm lượng vitamin C còn lại lớn nhất ở mẫu sấy tại T air 30C. Tuy nhiên, những chỉ còn lại như TPC, khả năng khử DPPH, khả năng khử sắt trong mẫu sấy đạt cao nhất khi sấy ở 25C. Điều này cho thấy khả năng khử gốc tự do DPPH có 10
mối tương quan với hàm lượng TPC. Mối tương quan này cũng đã được báo cáo trong những nghiên cứu khác về sấy rau trái. 3.2.3 Ảnh hưởng của vận tốc tác nhân sấy Hình 3.5 (a) Thời gian sấy. (b) Tốc độ bay hơi ẩm ở những vận tốc khác nhau Vận tốc tác nhân sấy càng cao làm cho thời gian sấy kéo dài và tốc độ bốc hơi càng nhỏ (xem hình 3.5). Chuẩn số Schmidt của các điều kiện sấy là 0,74. Chuẩn số Sherwood chỉ ra rằng vận tốc sấy càng lớn thì tốc độ bốc hơi càng lớn. Chuẩn số Lewis được xác định lần lượt là 1,055; 1,055; và 1,056 đối với vận tốc 1,0; 1,2; và 1,4 m/s. Do vậy quá trình LTMWAD bị kiểm soát bởi các quá trình truyền nhiệt và truyền khối. Dẫn đến, khi tăng vận tốc tác nhân sấy không làm giảm thời gian sấy vì làm giảm nhiệt độ ở vật liệu sấy. Hệ quả của thời gian sấy kéo dài làm cho những cấu tử nhạy cảm (vitamin C, TPC) tiếp xúc bức xạ MW cao hơn và làm tăng mức độ phân hủy, tổn thất các chất có hoạt tính sinh học dẫn đến giảm khả năng chống oxy hóa của sản phẩm. Bảng 3.3. Hàm lượng vitamin C, TPC và khả năng chống oxy hóa (phân tích DPPH, FRAP) trong khổ qua sấy ở những vận tốc khác nhau Hàm lượng Khả năng khử Vận tốc TPC Khả năng khử sắt Vitamin C gốc DPPH (m/s) (mgGAE/100gck) (mgTE/100gck) (mg/100gck) (mgTE/100gck) Mẫu tươi 520 (40) 800 (40) 1427 (43) 5313 (175) 1,0 147,00 (4,81) a 494,60 (13,39) a 230,85 (13,62) a 1774,62 (46,16) a 1,2 136,85 (8,54) a 475,88 (8,53) a 183,02 (12,57) a 1664,46 (42,76) a b b b 1,4 108,14 (4,86) 456,38 (8,80) 141,91 (9,09) 1322,40 (58,58) b Ghi chú: Dữ liệu được trình bày dưới dạng giá trị trung bình (sai số chuẩn) và các giá trị ở cùng 1 cột có cùng ký tự là sự khác biệt biệt giữa các giá trị trung bình không ý nghĩa (P > 0,05). 11
3.3 Nghiên cứu sự biến đổi của độ ẩm trong suốt quá trình LTMWAD 3.3.1 Mô hình toán học tiên đoán sự thay đổi tỉ lệ ẩm theo thời gian sấy Sự thay đổi tỉ lệ ẩm theo thời gian khi sấy khổ qua bằng kỹ thuật LTMWAD được trình bày trong hình 3.6. Dữ liệu thực nghiệm được dùng đánh giá mức độ tương thích của 10 mô hình sấy lớp mỏng gồm mô hình Newton, Page, Biến đổi Page II, Henderson và Pabis, Logarit, Midilli, Hai hạng tử, Xấp xỉ khuếch tán, Wang và Singh, Weibull. Kết quả phân tích các thông số thống kê bao gồm hệ số tương quan, R2, độ lệch chuẩn, RMSE, và khi bình phương,2. Mô hình Midilli, ( ) MR = a exp −kt n + bt , và Weibull, MR =  − b exp −kot n ( ) , có năng lực tiên đoán vượt trội các mô hình còn lại do chúng có giá trị R (lớn hơn 0,995), RMSE (nhỏ hơn 2 0,01880), và 2 (nhỏ hơn 0,00038). Mô hình Midilli và những mô hình khác như Lewis, Pages… chỉ mô tả động học của quá trình tách ẩm thì mô hình Weibull có khả năng mô tả cùng lúc nhiều hàm mục tiêu. Điều này tạo thuận tiện và nhanh chóng trong việc điều khiển quá trình. Vì vậy, trong kỹ thuật LTMWAD chọn mô hình Weibull để tính toán tiếp các thông số đặc tả động học sấy của quá trình. Hình 3.6. Sự thay đổi tỉ lệ ẩm (MR) theo thời gian khi sấy khổ qua ở nhiệt độ 20C (a), 25C (b), và 30C (c) với MWPD thay đổi từ 1,5 W/g đến 4,5 W/g 3.3.2 Ảnh hưởng của điều kiện sấy LTMWAD đến hằng số tốc độ sấy Giá trị hằng số tốc độ sấy, k (1/s), có sự tương quan với MWPD và Tair được thể hiện trong phương trình (3.1). Giá trị R2 điều chỉnh được xác định 0,93. Sai số chuẩn được xác định là 3,23210-41/s. k (1/s ) = 1,083  10−3 + 1,145  10−3 x1 + 5,583  10−4 x2 + 6,125  10−4 x1x2 (3.1) Ở đây, x1 và x2 là tương ứng với các mức mã hóa của MWPD và Tair. Khi tăng MWPD và/hoặc tăng giá trị T air sẽ có tác dụng tăng tốc độ khuếch tán trong và/hoặc tăng tốc độ khuếch tán ngoài, hệ quả đều có tác dùng làm gia tăng giá trị hằng số tốc độ sấy, tức là gia tăng mức độ thoát ẩm khỏi vật liệu sấy. 12
Trong quá trình sấy có tác dụng của MW, năng lượng hoạt hóa được ước lượng từ phương trình Arrhenius biến đổi.  −E  m  k = ko exp  a  , (3.2)  P  ở đây, Ea là năng lượng hoạt hóa thoát ẩm (W/g), P là là năng lượng của MW (W), m là khối lượng ban đầu của vật liệu sấy (g). Hằng số động học (ko) từ mô hình Weibull sẽ được dùng để ước lượng Ea và kết quả trình bày ở bảng 3.4. Bảng 3.4 Các giá trị năng lượng hoạt hóa khi sấy lát khổ qua ở những điều kiện sấy khác nhau Tair (C) Ea (W/g) Hệ số tương quan 20 9,6715 R² = 0,9851 25 8,8650 R² = 0,9964 30 8,3672 R² = 0,9998 Khi Tair càng lớn, thì giá trị Ea càng nhỏ. Do Tair thấp sẽ gây ra cản trở khuếch tán ẩm từ tâm ra bề mặt nguyên liệu. Đồng thời sẽ làm tăng độ ẩm tương đối của buồng sấy dẫn đến giảm động lực bốc hơi ẩm ở bề mặt vật liệu sấy. Vì vậy, ở Tair càng thấp càng cần nhiều năng lượng hoạt hoá quá trình loại ẩm. 3.3.3 Ảnh hưởng của điều kiện sấy LTMWAD đến hệ số khuếch tán ẩm hiệu dụng Hình 3.7. Sự thay đổi của giá trị Deff theo thời gian khi sấy khổ qua với MWPD thay đổi từ 1,5 W/g đến 4,5 W/g ở Tair 20C (a), 25C (b), và 30C (c) Bảng 3.5. Các giá trị Deff trung bình (m2/s) khi sấy khổ qua xắt lát ở những điều kiện sấy LTMWAD khác nhau MWPD (W/g) 1,5 3 4,5 -09 -07 20 5,51 1,57 2,64-07 Tair (°C) 25 5,20-08 1,85-07 4,71-07 -08 -07 30 3,02 2,25 4,88-07 13
Kết quả từ Bảng 3.5 đã chỉ ra rằng ở mức MWPD trung bình và cao (3 và 4,5 W/g) thì các giá trị Deff tăng theo năng lượng MW và Tair. Điều này cho thấy Tair càng cao và/hoặc MWPD càng lớn thì tốc độ thoát ẩm ra khỏi khổ qua càng nhanh nhờ vào sự gia tăng động lực khuếch tán ngoài và khuếch tán trong. Tuy nhiên, ở mức MWPD thấp (1,5 W/g) sự gia tăng nhiệt độ tác nhân sấy từ 25 đến 30°C đã làm giảm tốc độ khuếch tán ẩm. Nguyên nhân có thể do ở mức năng lượng vi sóng thấp dẫn đến động lực khuếch tán ẩm bên trong thấp, cùng lúc đó sự co rút của vật liệu sấy tăng khi tăng nhiệt độ tác nhân sấy gây trở lực cho việc thoát ẩm. Đối với điều kiện sấy MWPD thấp (1,5 W/g) và T air thấp (20C) có khả năng thoát ẩm thấp hơn so với sấy bằng năng lượng mặt trời, nhưng ở những chế độ sấy MWPD cao hơn và/hoặc Tair cao hơn thì khả năng loại ẩm khỏi lát khổ quả của phương pháp LTMWAD là cao hơn so với sấy bằng năng lượng mặt trời. Kết quả này là minh chứng rõ ràng về ưu điểm của việc gia nhiệt thể tích bằng MW đã làm tăng tốc quá trình khuếch tán ẩm và khả năng thực hiện quá trình sấy ở nhiệt độ thấp (từ 30C trở xuống). 3.4 Nghiên cứu sự biến đổi một số thành phần hóa học của khổ qua trong suốt quá trình sấy LTMWAD 3.4.1 Chứng minh mô hình tiên đoán sự phân hủy TPC, vitamin C Tốc độ giảm hoạt tính nước, a w , (do quá trình sấy) được biểu diễn như sau = − kc ( aw − aw* ) , daw (3.3) dt ở đây, k là hệ số truyền khối, a w* là hoạt độ của nước trongkhông khí sấy. Khi lưu lượng tác nhân sấy rất lớn so với vật liệu sấy phương trình (3.3) trở thành ( ) aw = aw* + aw 0 − aw* e − kc t (3.4) Nồng độ mole, Cs, của một cơ chất trong thực phẩm được xác định như sau 1 − ( aw /  w ) Cs = , (3.5) Vw ( aw /  w ) trong đó,  w là hệ số hoạt độ nước trong vật liệu, Vw là thể tích mole của nước(  0,056cm3/mol). Giả định,  w gần bằng 1. Vì vậy, 14
1 − aw Cs = . (3.6) Vw aw Nếu động học phản ứng tuân theo bậc 1, tốc độ hay đổi nồng độ Cs trong vật liệu sấy trở thành dCs d  1 − aw  =   − k1Cs , (3.7) dt dt  Vwaw  do độ ẩm của tác nhân sấy (không khí) thấp vào khoảng vài chục gam/kg không khí khô vì vậy hoạt độ của nước được giả định ( aw  aw0 − aw* e − kc t . ) (3.8) Thế phương trình (3.8) vào phương trình (3.7) Cs ( t ) = Aekc t + (1 − A) e− k1t , (3.9) Cs0 trong đó kc A= . ( kc + k1 ) CS Vw ( aw 0 0 − aw* ) (3.10) Nếu hệ số truyền khối, kc, rất nhỏ so với hằng số tốc độ phản ứng, k1, tức là k1  kc , thì A  0 . Như vậy, phương trình (3.9) sẽ được biến đổi thành Cs ( t )  e− k1t . (3.11) Cs0 Thực tế, các số liệu thực nghiệm về sự thay đổi nồng độ của TPC, vitamin C, và diệp lục tố theo thời gian tương thích tốt hơn với mô hình mũ biến đổi trong phương trình (3.12) thay vì mô hình mũ đơn giản được mô tả trong (3.11). Cs ( t ) −(t  )  e , (3.12) Cs0 ở đây,  có thể xem là hằng số thời gian phản ứng và α là hệ số ước lượng từ phương trình (3.12), các hệ số này tương ứng với các hệ số trong mô hình Weibull. Từ phương trình (3.12) có thể xác định được thời gian bán hủy theo 15
t1 2 = ( ln 2 )  1 (3.13) 3.4.2 Ảnh hưởng của quá trình sấy LTMWAD đến sự biến đổi của TPC Hình 3.8. (a) Sự thay đổi hàm lượng TPC tại các MWPD theo thời gian khi sấy ở 25C; (b) Logarit của nồng độ chuẩn theo thời gian; (c) Thời gian bán hủy TPC trong khổ qua khi sấy LTMWAD dưới những MWPD và Tair khác nhau Hình 3.8 trình bày sự thay đổi hàm lượng TPC của khổ qua trong suốt LTMWAD ở Tair 25C. Kết quả cho thấy trong quá trình sấy các lát khổ qua bằng phương pháp LTMWAD, hàm lượng TPC trong khổ qua giảm theo thời gian sấy. Trong hệ thống sấy LTMWAD, mẫu sấy được tiếp xúc với lưu lượng tác nhân sấy lớn có nhiệt độ thấp (từ 30C trở xuống) cùng tác dụng của bức xạ MW trong suốt quá trình sấy cùng vật liệu nghiên cứu có dạng rắn, do vậy các enzyme phân hủy TPC có thể hoạt động trong quá trình LTMWAD gây ra sự tổn thất thành phần TPC. Sự suy giảm TPC trong suốt quá trình sấy khổ qua bằng phương pháp LTMWAD ghi nhận chia thành 2 vùng riêng biệt có độ dốc khác nhau tương ứng với vùng có độ ẩm cao và vùng độ ẩm thấp được phân cách khi độ ẩm vật liệu sấy đạt khoảng 6 g/gck (xem Hình 3.9). Ở vùng độ ẩm cao, sự suy giảm TPC chậm hơn có thể do hàm lượng nước cao pha loãng nồng độ chất phản ứng. Ở vùng độ ẩm thấp, tốc độ suy giảm TPC tăng do gia tăng sự tiếp xúc giữa cơ chất phản ứng và enzyme đồng thời lượng ẩm mất gây ra hiện tượng co rút, mất/gẫy vỡ cấu trúc giải phóng enzyme và cơ chất làm thúc đẩy sự phân hủy TPC. Hình 3.8c. trình bày thời gian bán hủy của TPC dưới những điều kiện sấy khác nhau. Phân tích hồi quy tuyến tính dữ liệu thu được phương trình (3.13) biểu diễn t1 2 của các hợp chất phenolic (phút) dưới những thông số MWPD và Tair khác nhau. Trong phương trình này cân nhắc cả sự tương tác của hai nhân tố t1 2 . Sai số chuẩn được xác định là khoảng 38 phút, giá trị R2 điều chỉnh là 0,94. t1 2 (phenolics, phút) = 303 − 158x1 − 56x2 + 69x1x2 (3.14) 16
Hình 3.9. Sự thay đổi hàm lượng TPC tại các MWPD theo độ ẩm (g/gck) khi sấy LTMWAD ở 20C (a); 25C (b); 30C (c) Phân tích phương sai cho thấy tương ứng với từng nhiệt độ tác nhân sấy, khi tăng MWPD dẫn đến t1 2 giảm ý nghĩa [F(2,8) = 12,5; p = 0,02]. Tuy nhiên, tương quan giữa t1 2 với Tair (khi cố định MWPD) không rõ ràng [F(2,8) = 1,68; p = 0,30]. Giá trị t1 2 giảm khi tăng Tair từ 20 đến 30C ứng với MWPD là 1,5 hoặc 3,0 W/g. Tuy nhiên, t1 2 lại tăng nhẹ theo Tair khi MWPD ở 4,5 W/g. Sự gia tăng năng lượng MW hoặc/và tăng nhiệt độ tác nhân sấy đã làm tăng năng lượng nhiệt cho vật liệu sấy. Khi sấy ở MWPD thấp và Tair thấp, lượng vitamin C trong khổ qua có thể ức chế PPO và làm chậm tốc độ phân hủy của các hợp chất phenolic. Trong quá trình MWD hoặc MWAD, sự phụ thuộc của hằng số tốc độ sấy (ước lượng từ phương trình (3.12)) với tỉ lệ của công suất MW và khối lượng mẫu ban đầu, được xác định, tuân theo phương trình mũ sau 1 1  E  m = exp − a P  (3.15)  0  Ở đây, P là công suất MW (W), và m là khối lượng mẫu nguyên liệu ban đầu (g). Năng lượng hoạt hóa Ea là năng lượng tối thiểu để biến đổi hóa học trong suốt quá trình chế biến thực phẩm. Kết quả nhận được các giá trị Ea lần lượt là 2,719; 2,583; và 1,515 W/g tương ứng với Tair lần lượt 20, 25, và 30C. 3.4.3 Ảnh hưởng của quá trình sấy LTMWAD đến sự biến đổi vitamin C Sự thay đổi hàm lượng vitamin C của khổ qua theo thời gian trong suốt quá trình sấy LTMWAD được trình bày ở hình 3.10. Kết quả cho thấy trong suốt quá trình sấy hàm lượng vitamin C giảm theo thời gian. Trong quá trình sấy LTMWAD các lát khổ qua, kết quả cho thấy hàm lượng vitamin C đã bị suy giảm ở mức độ khác nhau tùy thuộc điều kiện sấy LTMWAD. Tương tự sự phân hủy TPC trong quá trình sấy LTMWAD, sự tổn thất của vitamin C trong lát khổ qua do 17